基于LEACH的農業物聯網數據監測系統分析

范長英

（濰坊科技學院 山東省壽光市 262700）

現代農業生產活動開展期間，各種現代化智能技術層出不窮，無線傳感器網絡技術被廣泛應用于農業生產過程中，以其強大的智能技術為依托，實現對農業生產活動的實時監測，落實精準農業的各個方面，提高我國農業技術建設能力和水平，推動農業由傳統以人工為主的農業發展類型向智能化農業發展轉變。

1 關于LEACH的概述

LEACH 作為無線傳感器網絡路由協議，其基本算法稱為“LEACH 算法”，在運行期間，將網絡能量負載平均分配至不同的傳感器節點，在低網絡能耗的狀態下，提高網絡生存時間，因此，以LEACH 算法為基礎的農業物聯網數據監測系統因運而生，逐漸成為當前農業生產活動的主要發展途徑，滿足智能化農業生產的實際需求。

2 基于LEACH的農業物聯網數據監測系統建設措施

2.1 構建模型

農業物聯網數據監測系統的建設是基于物聯網模型框架內的，以LEACH 算法為基礎，將現代智能技術應用于農業生產環境中的具體操作。農業物聯網數據監測系統由信息數據采集中心、無線傳感器網絡、數據節點控制器網關、控制終端以及客戶端組成，其中數據節點控制器網關為系統運行核心，在系統運行期間，起到信號傳輸及模擬信號發射的作用，應用于具體農業生產環境中，農業生產種植人員通過信息采集中心，收集與農業種植環境相關的土壤溫/濕度、空氣溫/濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數據信息，利用數據節點控制器網關進行數據傳輸，通過GPRS 向系統控制終端發射信號，同時，通過云計算的方式，形成完整的農業生產結構數據圖，實現對農業生產環境、生產活動進度以及農業生產實際情況的有效監測。

農業物聯網的基本模型框架結構分為感知層、傳輸層、處理層和應用層，在農業物聯網數據監測系統中，感知層作為底層網絡技術，承擔著數據信息采集工作，利用現代化傳感技術或傳感設備收集和識別農業生產相關數據，為農業物聯網監測系統運行提供具體的數據支持，數據信息傳至傳輸層，通過WSN 等無線網絡，完成遠距離農業數據傳輸的工作，信息處理層則是在信息傳至系統內部后，利用大數據信息技術，對農業生產數據信進行處理和挖掘，根據相關數據信息形成完整的農業生產活動預測診斷和智能監控報告，實現對大面積農業種植的有效監測，完善和豐富各領域的農業生產種植系統。

2.2 系統設計

基于LEACH 的現代農業物聯網數據監測系統建設期間，技術人員要根據不同的農業生產環境對農業監測系統進行整體設計，通過物聯網終端設備獲取農業生產信息，利用協調器將信息匯聚至物聯網網關，同時運用無線網絡技術將數據傳輸至云端服務器，技術人員通過登錄客戶端獲取農業生產相關信息，實現對茶園的總體監控，其系統設計內容主要分為兩部分，一是系統結構設計，二是系統組成設計。根據農業生產活動的實際開展狀況，技術人員對農業物聯網數據監測系統進行結構和軟/硬件組成設計，主要設計內容包括以下幾方面：

2.2.1 監控設計

農業監控系統運行期間，技術人員利用無線網絡對農業信息進行采集與監控，配備視頻監控設備，具備歷史視頻查詢、視頻監控報警、視頻實時監控以及GPS 地圖防盜功能，提高對農業生產活動的監測效果。

2.2.2 數據融合設計

農業物聯網數據監測系統設計期間，技術人員注重對數據融合系統的設計，根據無線傳感器位置和節點信息結構的不同，采用多源異構的方式，將無線通信網絡傳輸而來的數據與云端數據進行適配，構建農業信息融合數據庫，便于相關人員查閱數據信息[1]。

2.2.3 無線傳感器節點設計

技術人員進行農業物聯網數據監測系統設計期間，對傳感器節點位置進行接口預留，改變農業數據傳輸格式，便于信息傳輸節點將傳感器數據傳輸至信息協調器，保證農業數據信息的無阻傳輸。技術人員利用無線傳感網絡技術，根據系統運行中出現的不同工作頻段，結合數據電波的存在方式，確定數據的傳輸速率，其中無線傳感器節點在運行期間，負責數據采集系統中的信息傳輸與管理，通過與網絡系統中任意設備的有效連接，數據節點出現集聚效應，在提高數據傳輸效率的同時減少傳感器節點能量的損耗，保證農業數據信息的完整性和真實性。

2.2.4 控制器網關設計

數據節點控制器網關設計期間，技術人員根據農業生產面積及實際情況，確定無線網絡數據階段控制器節點位置和數量，利用無線傳感網絡技術，完成數據間的轉換與自由通信。無線傳感網絡協調器通過控制系統與網關進行連接，根據控制器發出的指令，向GPRS 系統傳輸農業數據，農業監測系統終端將相關數據儲存至農業信息庫中，供管理人員查看和調閱，對農業生產活動起到數據指導作用。

2.2.5 系統數據處理設計

技術人員利用單片機對農業物聯網數據監測系統程序進行整體設計，通過單片機向系統協調器發送控制指令，利用通信模塊進行農業數據傳輸，監測系統結合協調器發送的指令，獲取無線傳感器節點信息及數據，最終發送至農業物聯網數據監測系統中，等待系統發出下一步查詢或控制指令。

2.3 技術要點

基于LEACH 的農業物聯網數據監測系統建設期間，需要以現代智能化技術為依托，將無線傳感器與網絡數據相結合，提高農業生產相關數據信息的感知、傳輸與處理能力，實現對農業生產工作的有效監測。

2.3.1 無線感知技術

農業生產數據信息收集期間，主要應用到無線感知技術，在充分利用無線傳感器的基礎上，將GPS 全球衛星定位、RFID 無線射頻識別、RS 無線電傳輸、條碼等技術進行融合，打破時間和空間的限制，完成對農業數據信息的采集。技術人員利用無線感知技術，完成對農業生產要素信息的收集，包括生產環境、影響因素等，保證農業生產活動順利進行；GPS 技術，利用衛星定位的方式，對農業生產進行精準定位和導航，提高農業監測效果；RFID 技術，利用無線電信號識別功能，對特定農業生產目標進行信息識別和跟蹤，提高農業數據信息傳輸效率；RS 技術，以無線電為主要信號傳輸介質，通過不同頻率和波段，進行遠距離農業數據傳輸，在農業環境監測、病蟲害預測防治等方面應用較為廣泛；條碼技術，將編碼、光電、通信等技術類型進行融合，形成現代化自動識別技術，實現對農產品質量的嚴格控制[2]。

2.3.2 數據傳輸技術

現代農業監測系統中，數據傳輸技術作為關鍵技術，對農業生產活動的順利進行具有重要的指導性意義，主要通過智能感知設備，實現對農業生產信息的收集和整理，利用有線傳輸和無線傳輸兩種形式，實現農業數據的轉換與通信，將處理后的農業數據傳輸至農業監測系統的終端設備，完成數據傳輸的全過程。當前應用最為廣泛的屬無線數據傳輸技術，分為遠距離和近距離傳輸，其中遠距離傳輸技術包括CDMA、GPRS、無線網橋、短波通信等技術手段，適用于大規模農業生產活動監測，近距離數據傳輸技術主要包括ZigBee、紅外線、無線藍牙等，適用于農業生產規模較小的項目，具有較強的靈活性和便捷性。

2.3.3 信息處理技術

農業監測系統中信息處理技術主要指利用相關技術對農業生產信息進行加工和分析，分為信息準備、信息處理和信息輸出三個階段，應用到的關鍵技術包括農業智能控制技術、智能決策技術、預測報警技術以及視覺處理技術，利用現代化智能技術，處理和分析農業生產狀況，實現對農業生產活動的指導和控制。

2.4 算法研究

基于LEACH 協議算法下的農業物聯網數據監測系統建設期間，核心思想是利用無限循環的方式，隨機選擇簇頭節點，保證網絡系統中各部分節點均勻消耗負載能量，進而形成數據節點聚類協議。

2.4.1 算法設計

LEACH 算法共分為五個階段，分別是確定簇頭節點、接收廣播信息、成立簇、建立調度表、傳輸數據階段，技術人員在傳感器節點中，根據LEACH 算法選擇本輪簇頭，通過簇頭接收器接收廣播信息，接著劃分簇頭歸屬范圍，開啟簇頭接收器，防止遺漏傳感器中非簇頭信息，結合簇頭信息建立調度表，同時，利用多種智能技術對農業數據信息進行加工處理，最終通過農業監測系統進行數據傳輸。

2.4.2 仿真研究

技術人員建設農業監測系統過程中，要對LEACH 算法在農業物聯網數據監測系統中的實際應用效果進行仿真實驗研究，將直接通信協議和最小傳輸能量協議作為仿真實驗對象，通過節點或傳輸媒介向基站傳輸數據，完成對農業生產情況的實時監測[3]。

2.5 系統測試

技術人員在系統建設完成階段對系統整體性能及數據傳輸效率和質量進行集中測試，用于驗證LEACH 算法的準確性與科學性，通過比對系統節點信息以及經典路由協議算法結果發現，基于LEACH 算法下建設的農業物聯網數據監測系統較比傳統系統運行效率更好，基本滿足現代智能化農業生產條件。

3 結束語

綜上所述，在農業生產現代化背景下，農業技術人員通過構建系統模型的方式，將LEACH 與農業物聯網數據監測系統進行有效結合，旨在發揮無線傳感器網絡的技術優勢，提高對農業生產活動的監測效果，進而優化我國農業生產環境，提高農作物及農產品的產量和質量，加快農業發展現代化的步伐。